第六节MR扩散加权成像技术

第六节MR扩散加权成像技术
MR扩散加权成像（diffusion-weighted imaging, DWI）是20世纪90年代初中期发展起来的MRI新技术，国内于90年代中期引进该技术并在临床上推广应用。

DWI是目前唯一能够检测活体组织内水分子扩散运动的无创性方法。

一、扩散的基本概念
扩散（diffusion）是指分子热能激发而使分子发生一种微观、随机的平移运动并相互碰撞，也称分子的热运动或布朗运动。

任何分子都存在扩散运动。

扩散在很多非平衡态系统中可以观察到，如在一杯纯水中加入一滴红墨水，红墨水在水中逐渐散开即是一种扩散现象。

但当平衡状态建立后，如上述例子中红墨水最后完全在水中散开，杯中各处红墨水浓度完全一样时，宏观的扩散不再观察得到，但实际上微观的扩散运动依然存在。

通过一些特殊的技术可以检测这种分子的微观扩散运动。

DWI技术就是检测这种微观扩散运动的方法之一。

由于一般人体MR成像的对象是质子，主要是水分子中的质子，因此DWI技术实际上检测的是人体组织内水分子的扩散运动。

如果水分子扩散运动不受任何约束，我们把这种扩散运动称为自由扩散运动。

但在生物体中，水分子由于受周围介质的约束，其扩散运动将受到一定程度的限制，我们把这种扩散运动称为限制性扩散。

在人体中，我们可以把脑脊液、尿液等的水分子扩散运动视作自由扩散，而人体一般组织中水分子的扩散运动属于限制性扩散。

实际上DWI就是通过检测人体组织中水分子扩散运动受限制的方向和程度等信息，间接反映组织微观结构的变化。

在人体组织中，由于组织结构的不同，限制水分子扩散运动的阻碍物的排列和分布也不同，水分子的扩散运动在各方向上受到的限制可能是对称，也可能是不对称的。

如果水分子在各方向上的限制性扩散是对称的，我们称之为各向同性扩散（isotropic diffusion）。

如果水分子在各方向上的限制性扩散是不对称的，我们称之为各向异性扩散（anisotropic diffusion）。

各向异性扩散在人体组织中普遍存在，其中最典型的是脑白质神经纤维束。

由于神经细胞膜和髓鞘沿着神经轴突的长轴分布并包绕轴突，水分子在神经纤维长轴方向上扩散运动相对自由，而在垂直于神经纤维长轴的各方向上，水分子的扩散运动将明显受到细胞膜和髓鞘的限制。

二、DWI的原理
DWI的物理学原理比较复杂，这里我们仅作简单介绍。

MRI检测到的信号最后都分配到每个像素中，每个像素实际上代表受检组织的一个体素，我们就以一个体素为例，并结合目前最常用于DWI的SE-EPI序列来介绍DWI的基本原理。

射频脉冲使体素内的质子相位一致，射频脉冲关闭后，由于组织的T2弛豫和主磁场不均匀将造成质子逐渐失相位，从而造成宏观横向磁化矢量的衰减。

除了上述两种因素以外，如果我们在某个方向上施加一个梯度场，实际上是人为在该方向上制造磁场不均匀，那么体素内该方向上质子的进动频率将出现差别，从而也造成体素内质子群失相位，最后也引起宏观磁化矢量的衰减，MR信号减弱。

如果我们在SE-EPI序列180︒复相脉冲的两侧各施加一个梯度场，这两个梯度场的方向、强度和持续时间完全相同（我们称之为扩散敏感梯度场），那么前面所述的梯度场造成的失相位可以分为两种情况。

（1）在体素内梯度场施加方向上位置没有移动的质子，对于这些质子，由于180︒两侧施加的梯度场完全相同，可以认为梯度场造成是一种恒定的磁场不均匀，180︒复相脉冲可以剔除这种恒定的磁场不均匀引起的质子失相位，那么实际上梯度场的施加并不会引起这些质子的信号衰减。

（2）在体素内梯度场施加方向上有位置移动的质子。

这些质子在移动过程中将经历磁场强度的变化，进动频率也随之发生变化，从而造成相位离散。

由于位置发生变化，对于这些质子，180︒脉冲两侧的梯度场引起的就不是恒定的磁场不均匀，180︒脉冲将不可能剔除这种质子失相位，因此这种在梯度场施加方向上的位置移动将引起质子信号的衰减。

体素中水分子都存在一定程度的扩散运动，其方向是随机的，而在扩散梯度场方向上的扩散运动将造成体素信号的衰减。

如果水分子在敏感梯度场方向上扩散越自由，则在扩散梯度场施加期间扩散距离越大，经历的磁场变化也越大，则组织的信号衰减越明显。

反之，在DWI上组织的信号衰减越明显则提示其中的水分子在梯度场方向上扩散越自由。

DWI通过测量施加扩散敏感梯度场前后组织发生的信号强度变化，来检测组织中水分子扩散状态（自由度及方向），后者可间接反映组织微观结构特点及其变化。

三、DWI的技术要点
为了在临床上更好的应用DWI技术，首先必需了解DWI的技术要点。

（一）DWI上组织信号衰减的影响因素
尽管DWI可以用多种序列进行，但影响其组织信号衰减的因素基本相同。

与未施加扩散敏感梯度场的相应序列相比，在DWI上各种组织的信号都在衰减，只是衰减的程度有所差别而已。

DWI上组织信号强度的衰减主要与以下因素有关：（1）扩散敏感梯度场的强度，强度越大组织信号衰减越明显；（2）扩散敏感梯度场持续的时间，时间越长组织信号衰减越明显；（3）两个扩散敏感梯度场的间隔时间，间隔时间越长，组织信号衰减越明显；（4）组织中水分子的扩散自由度，在扩散敏感梯度场施加方向上水分子扩散越自由，组织信号衰减越明显。

（二）b值及其对DWI的影响
上述影响DWI上组织信号衰减的因素中的前三项都与扩散敏感梯度场有关。

在DWI 技术中，我们把施加的扩散敏感梯度场参数称为b值，或称扩散敏感系数。

在常用SE-EPI DWI序列中，b值＝γ2G2δ2（∆－δ/3），式中γ代表磁旋比；G代表梯度场强度；δ代表梯度场持续时间；∆代表两个梯度场间隔时间。

b值对DWI的影响很大，b值越高对水分子扩散运动越敏感，b值增高也带来一些问题：（1）组织信号衰减越明显，太高的b值得到的DWI信噪比（SNR）很低；（2）在机器硬件条件一定的情况下，b值增高必然延长TE，进一步降低了图像的SNR；（3）即便机器硬件和图像的信噪比许可，梯度脉冲对周围神经的刺激也限制了太高的b值。

较小的b值得到的图像信噪比较高，但对水分子扩散运动的检测不敏感，而且组织信号的衰减受其他运动的影响较大，如组织血流灌注造成水分子运动等，这些运动模式相对水分子的扩散运动来说要明
显得多。

因此b值的选择对于DWI非常重要，但实际上b值的合理选择较为困难，在临床上根据设备条件、所选用的序列以及临床目的的不同，应适当调整b值。

在目前常用的MRI仪上，脑组织DWI的b值一般选择在800~1500 s/mm2。

（三）DWI的方向性
由于只有在施加扩散敏感梯度场方向上的运动才有相位的变化，因此DWI所反映的水分子扩散运动具有方向性。

DWI只能反映扩散敏感梯度场方向上的扩散运动，其他方向上的扩散运动则不能检测出来。

为了全面反映组织在各方向上的水分子扩散情况，需要在多个方向上施加扩散敏感梯度场。

在前面扩散的基本概念中曾提到各向异性扩散的概念，由于DWI具有方向性，所以可以很好的反映组织扩散的各向异性。

如内囊后肢的白质纤维束是上下走向，上下方向水分子扩散相对自由，在颅脑横断面DWI，如果在层面选择方向（上下方向）施加扩散敏感梯度场，则内囊后肢的信号衰减比较明显，表现为明显低信号。

如果在左右方向上施加扩散敏感梯度场，由于内囊后肢的水分子在此方向扩散运动明显受限，信号衰减很少，因而表现为相对高信号。

如果我们在多个方向（6个以上方向）分别施加扩散敏感梯度场，则可对每个体素水分子扩散的各向异性作出较为准确的检测，这种MRI技术称为扩散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）。

利用DTI技术可以很好地反映白质纤维束走向，对于脑科学的研究将发挥很大的作用。

（四）扩散系数和表观扩散系数
通过对施加扩散敏感梯度场前后的信号强度检测，在得知b值的情况下，我们可以计算组织的扩散系数。

需要指出的是，在DWI上造成组织信号衰减不仅仅是水分子的扩散运动，水分子在扩散敏感梯度场方向上各种形式的运动（或位置移动）都将造成组织信号的衰减，如组织血流灌注中的水分子运动及其他生理运动等。

SE-EPI由于采集速度很快，基本可以冻结组织多数的生理运动，但无法消除血流灌注对组织信号的影响。

因此利用DWI上组织信号强度变化检测到的不是真正的扩散系数，而将会受到其他形式水分子运动的影响。

正因为此，我们只能把检测到的扩散系数称为表观扩散系数（apparent diffusion coeffecient，ADC）。

其计算公式如下：ADC = ln（SI低/SI高）/（b高－b低）。

式中SI低表示低b值DWI上组织的信号强度（b值可以是零）；SI高表示高b值DWI上组织的信号强度；b高表示高b值；b低表示低b值；ln表示自然对数。

从式中可以看出，要计算组织的ADC值至少需要利用2个以上不同的b值。

四、常用的DWI序列
用于DWI的序列很多，可以是GRE、SE、FSE、单次激发FSE序列等，可以是T1WI、T2WI或T2*WI序列。

这里仅介绍目前临床上最为常用的单次激发SE-EPI DWI序列和SE 线扫描DWI序列。

180°
a b
图50 SE-EPI DWI序列及其原理示意图图a为序列结构图，90︒脉冲激发后，在180︒脉冲的前后各施加一个强度、持续时间和方向均相同的扩散敏感梯度场，180︒复相脉冲将产生一个自旋回波信号，其他MR信号利用EPI技术进行采集。

图b为DWI原理示意图。

方框表示一个体素，圆圈表示其中的水分子，带有箭头者表示在扩散敏感梯度场方向上具有扩散运动的水分子。

由于180︒两侧的梯度场完全相同，没有位置移动的水分子中质子将不会因为梯度场而发生相位离散，而在扩散梯度场方向上位置移动的质子相位将发生离散，从而引起组织信号信号衰减。

（一）单次激发SE-EPI DWI序列
场强在1.0 T以上的MRI仪目前多采用单次激发SE-EPI序列进行DWI（图50）。

该序列如果不施加扩散敏感梯度场，得到将是T2WI，在T2WI基础上施加扩散敏感梯度场将得到DWI，b值一般选择为1000 s/mm2左右，根据需要可在层面选择方向上施加扩散敏感梯度场，也可在层面选择、频率编码及相位编码方向上都施加。

该序列TR为无穷大，因此剔除了T1弛豫对图像对比的污染，根据需要和扫描机的软硬件条件，TE一般为50 ~ 100 ms。

该序列成像速度很快，单层图像的TA在数十到100毫秒。

（二）SE线扫描DWI序列
SE线扫描DWI的原理和SE-EPI DWI相同，仅采用的序列和MR信号采集方式有所不同。

该技术主要用于低场强MRI仪，因为单次激发SE-EPI序列在低场强扫描机上效果较差。

SE线扫描DWI采用的是SE序列，也是在180︒复相脉冲两侧施加扩散敏感梯度场。

以颅脑横断面为例，先在上下方向施加层面选择梯度场，在横断面施加90︒脉冲，然后在左右方向施加另一个层面选择梯度场，在矢状面施加180︒脉冲。

由于施加90︒激发的横断面和180︒激发的矢状面相互垂直，两者相交的一条线上同时接受了90︒和180︒脉冲，因而回波来自于两平面相交的一条线上的组织。

保持90︒激发的层面不变，而改变180︒激发的矢状面的位置，就采集到左右位置不同的许多条前后方向线状组织的信号，相互叠加即成为一个平面。

由于每个回波采集到的是一条线，因此称为线扫描，线扫描采集的每个回波是一维的，只有频率编码（此处为前后方向），由于利用不断变换位置的矢状面激发来代替相位编码，因而线扫描没有相位编码。

右左
a b c
图51 SE线扫描DWI序列示意图本示意图以头颅横断面为例。

图a示在层面选择梯度场的作用下，90︒脉冲施加在横断面上（两条横线之间的区域）。

图b示在另一个层面选择梯度场的作用下，180︒复相脉冲施加在矢状面上（黑边白色框区域），与90︒脉冲激发的层面相交。

图c示90︒脉冲和180︒脉冲激发的两个层面相交得到前后方向的一条线（黑边灰色框区域）。

在横断层面上不断施加90︒脉冲，而通过矢状面层面选择梯度场和180︒脉冲频带的调整，180︒脉冲施加在矢状面位置从左向右不断移动，得到从左向右排列的许多条前后方向的线，组合起来就是一个平面图像。

五、DWI的临床应用
DWI在临床上主要用于超急性脑梗塞的诊断和鉴别诊断，急性脑缺血缺氧造成的主要是细胞毒性水肿。

在DWI上，超急性和急性梗塞的脑组织表现为高信号。

与常规T1WI和T2WI相比，DWI可以更早的发现梗塞区的信号异常。

需要注意的是，其他一些脑组织病变在DWI上也可能表现为高信号，如多发硬化的活动病灶、部分肿瘤、血肿、脓肿等，在鉴别诊断时需要引起注意。

除脑部病变外，其他脏器如肝脏、肾脏、乳腺、脊髓、骨髓等也可进行DWI，将可能给这些部位病变的诊断和鉴别诊断提供信息，但目前在这些方面的经验还不多，还需要进一步研究。

利用DTI技术进行的脑白质束成像不仅可用于脑科学的研究，在临床上也能提供一些有价值的信息，如肿瘤对周围白质束的影响、术前提示手术时应该避免损伤的重要白质纤维束等。